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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft allgemein Anordnungen zum Erzeugen und Halten von ionisiertem Reaktionsgas z.B. zur Erzeugung von Fusionsreaktionen oder zum Ausstoß in einem lonenantriebssystem. Die Erfindung betrifft insbesondere Fusionsreaktoren für die Förderung einer Trägheitsfusion mit elektrostatischem Einschluss und lonenantriebssysteme mit gerichtetem Abströmen von Reaktionsgasionen.
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Technischer Hintergrund
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Für Fusionsreaktionen ist es notwendig, ein Plasma aus ionisiertem Reaktionsgas bereitzustellen, in dem durch Beschuss mit Atomkernen eine Fusionsreaktion erzeugt werden kann. Es sind verschiedene Fusionskonzepte zum Einschließen eines Plasmas aus Reaktionsgasionen bekannt. Herkömmliche Tokamak-Lösungen, wie z. B. ITER, sehen den Einschluss von ionisiertem Reaktionsgases durch Magnetfelder vor. Auch sind Lösungen bekannt, Plasma durch elektrostatische Feldanordnungen einzuschließen, um die Häufigkeit von Fusionsreaktionen beim Einschuss von Atomkernen zu erhöhen. Derartige Fusionsreaktoren können allgemein zur Energiegewinnung, aber auch als Neutronenquellen für die Materialforschung als Antriebseinheiten für Raumfahrzeuge oder dergleichen eingesetzt werden.
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Aus Miley and Murali, „Inertial Electrostatic Confinement (IEC) Fusion“, Springer, New York 2014, ist die Erzeugung eines Plasmas für eine Trägheitsfunktion mithilfe eines elektrostatischen Einschlusses von Reaktionsgasionen bekannt. Die darin vorgestellten grundlegenden Geometrien umfassen entweder mindestens zwei sphärisch konzentrische oder mindestens zwei konzentrische zylinderförmige Gitterelektroden, wobei außen eine positive und innen eine negative Polarität anliegt. Bei einer hohen Potentialdifferenz kommt es zu einer Gasentladung, die Reaktionsgasionen nach innen beschleunigt. Im Falle einer sphärischen Kugelgeometrie bildet sich in dem Zentrum eine virtuelle Anode durch die Ansammlung von positiv geladenen Reaktionsgasionen. Eine Fusionsreaktion kann entstehen, wenn die nachströmenden Reaktionsgasionen mit hoher Geschwindigkeit auf die Wolke der bereits im Zentrum befindlichen Reaktionsgasionen prallen. Dies kann beispielsweise bei Deuterium als Reaktionsgas bei einer angelegten Spannung von mehreren zehn kV erfolgen.
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Im Gegensatz zu Tokamak-Lösungen, bei der ein Plasma auf einer Temperatur von bis 100.000.000°K in einer magnetischen Flasche gehalten werden muss, ist der technische Aufwand bei Fusionsreaktoren mit elektrostatischem Einschluss erheblich geringer. Jedoch besteht ein Nachteil bei elektrostatischen Fusionsreaktoren darin, dass die nachströmenden Reaktionsgasanionen von der hohen positiven Raumladung der Anionenwolke abgestoßen werden, so dass die Reaktionsgasionen in der Regel häufige Male zwischen der Anionenwolke im Zentrum der Anordnung und der positiv geladenen Gitterelektrode oszillieren, bevor eine Fusionsreaktion stattfindet. Dabei können diese mit der negativ geladenen Gitterelektrode kollidieren und dadurch ihre Energie verlieren, so dass der Wirkungsgrad erheblich reduziert wird. Allerdings reicht auch ein geringer Wirkungsgrad aus, um Neutronen- oder Röntgenstrahlen für diverse Anwendungen in ausreichender Menge zu erzeugen.
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Des Weiteren sind Ansätze bekannt, die elektrostatischen Fusionsreaktoren auch mit einer zylindrischen Geometrie auszubilden, wobei hier die Reaktionsgasionen im Zentrum entlang der Zylinderachse in Richtung der Stirnseiten ausweichen können und so für Fusionsreaktionen wegfallen.
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Diese Geometrien von Fusionsreaktoren eignen sich auch nicht für ein lonenantriebssystem für Raumfahrzeuge, da ein Ausstoßen des ionisierten Reaktionsgases in einer sphärischen Anordnung den Wirkungsgrad für die Plasmaerzeugung weiter reduziert.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Anordnung zum Erzeugen und Halten von ionisiertem Reaktionsgas in elektrostatischem Einschluss zur Verfügung zu stellen, die als Fusionsreaktor mit elektrostatischem Einschluss mit verbessertem Wirkungsgrad betrieben werden kann und bei der ein Fusionsreaktionsvolumen erhöht ist. Weiterhin soll eine Anordnung zum Erzeugen und Halten von ionisiertem Reaktionsgas in elektrostatischem Einschluss bereitgestellt werden, die als Quelle von ionisiertem Reaktionsgas einen gerichteten lonenstrom mit hoher Effizienz ausbilden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Anordnung zum Erzeugen und Halten von ionisiertem Reaktionsgas in elektrostatischem Einschluss gemäß Anspruch 1 sowie durch den Fusionsreaktor und durch die lonenantriebsvorrichtung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Anordnung zum Erzeugen und Halten von ionisiertem Reaktionsgas in elektrostatischem Einschluss vorgesehen, umfassend:
- - Eine torusförmige oder torussegmentförmige hohle Anodenstruktur, die einen lonenkanal umgibt;
- - Mindestens eine konzentrisch und symmetrisch im Inneren der Anodenstruktur angeordnete torusförmige bzw. torussegmentförmige Kathodenstrukturen, die als Gitterkathode oder Lochkathode ausgebildet ist, wobei in das Innere der Anodenstruktur ein Reaktionsgas zuführbar ist.
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Die obige Anordnung weist eine torusförmige bzw. torussegmentförmige Form auf, die eine torusförmige bzw. torussegmentförmige Anodenstruktur und eine darin konzentrisch und symmetrisch angeordnete Kathodenstruktur, die als Gitterkathode oder Lochkathode ausgebildet ist, gebildet ist. Zwischen Kathodenstruktur und Anodenstruktur wird im Betrieb eine Betriebsspannung angelegt und ein Reaktionsgas ins Innere der Anordnung zugeführt.
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Die torusförmige bzw. torussegmentförmige Anordnung weist eine Torusachse auf, die die Spiegelachse für die Rotationssymmetrie der Anordnung darstellt. Die Querschnitte der Anodenstruktur und Kathodenstruktur sind vorzugsweise kreisförmig oder polygonförmig, wobei sich tangential um die Torusachse an den Mittelpunkten der Querschnitte der Anodenstruktur und Kathodenstruktur ein ringförmiger oder ringsegmentförmiger lonenkanal bildet.
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Im Betrieb bildet sich zwischen der Anodenstruktur und der Kathodenstruktur ein elektrisches Feld aus, in dem ein darin befindliches Reaktionsgas ionisiert wird und die entstehenden Ionen mithilfe der Kathodenstruktur zu dem Mittelpunkt des Querschnitts der Kathodenstruktur und Anodenstruktur bewegt werden. Im Ergebnis sammeln sich Anionen des Reaktionsgases im Bereich des lonenkanals im Inneren der torusförmigen bzw. torussegmentförmigen Anordnung.
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Es kann eine Betriebsspannungsquelle vorgesehen sein, um eine Betriebsspannung als Gleichspannung oder als gepulste Gleichspannung zwischen der Anodenstruktur und der Kathodenstruktur anzulegen.
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Weiterhin können die Querschnitte der Anodenstruktur und Kathodenstruktur kreisförmig oder polygonförmig sein, was Fertigungsvorteile bieten kann. Weiterhin können die Querschnitte tangential um eine Torusachse der torusförmigen bzw. torussegmentförmigen Anodenstruktur an Mittelpunkten der Querschnitte der Anodenstruktur und Kathodenstruktur der lonenkanal ringförmig bzw. ringsegmentförmig gebildet sein.
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Die Anodenstruktur kann vollflächig oder als Gitteranode oder als Lochanode ausgebildet sein. Insbesondere kann die Anodenstruktur gitterförmig ausgebildet sein, um eine Gasdurchlässigkeit zu erreichen. Dadurch kann die Anordnung in einer Reaktionsgaskammer angeordnet sein wodurch die Versorgung mit Reaktionsgas bei einer geschlossen torusförmigen Anordnung gewährleistet ist.
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Alternativ kann die Anodenstruktur geschlossen ausgeführt sein, um ein Reaktionsgas im Inneren der Anordnung zu halten.
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Gemäß einer Ausführungsform können die Anordnung umschließende Ringmagnete vorgesehen sein, deren Magnetisierungsrichtung tangential ist und wobei die Magnetfelder von benachbarten Ringmagneten mit gleichen oder unterschiedlichen Polaritäten einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Ringmagnete können zudem zur besseren Fokussierung der lonenwolke in torusförmiger bzw. torussegmentförmiger Anordnung vorgesehen sein.
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Weiterhin kann eine Oberfläche der Kathodenstruktur mit einem Material mit niedriger Austrittsarbeit von weniger als 2,5 eV versehen sein. Die Oberfläche der Kathodenstruktur kann z. B. mit C12A7, BaO oder dergleichen ausgebildet sein, damit Elektronen bei geringerer elektrischen Feldstärke austreten können und dadurch die lonisierungseffizienz zwischen der Anodenstruktur und der Kathodenstruktur erhöht wird.
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Anstelle einer Kathodenstruktur können auch mehrere konzentrische Kathodenstrukturen vorgesehen sein. Dadurch können die Ionen besser fokussiert und geführt werden, was die Kollisionen und Verluste am Gitter minimieren kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Fusionsreaktor mit der obigen Anordnung vorgesehen, wobei die Anodenstruktur und die Kathodenstruktur torusförmig ausgebildet sind, wobei die Anodenstruktur als Gitteranode oder vollflächig ausgebildet ist, um ein Reaktionsgas im inneren der Anodenstruktur zu halten.
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Somit kann die obige Anordnung vollständig geschlossen sein und einen Fusionsreaktor bilden. Die ionisierten Reaktionsgasionen sammeln sich im Betrieb als lonenwolke im Bereich des lonenkanals ringförmig um die Torusachse. Nach der Ausbildung der lonenwolke von ionisiertem Reaktionsgas können nachfolgende ionisierte Reaktionsgasionen dort auf in der lonenwolke befindliche Reaktionsgasanionen treffen und - ausreichend kinetische Energie der nachfolgenden Reaktionsgasionen vorausgesetzt - eine Fusionsreaktion auslösen. Als in das Innere des Fusionsreaktors einzubringendes Reaktionsgas kann beispielsweise Deuterium oder Tritium verwendet werden.
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Der ringförmige lonenkanal ermöglicht im Vergleich zu den Lösungen des Stands der Technik eine Vergrößerung des möglichen Volumens, in dem aus radialer Richtung (bezüglich des Querschnitts der Kathodenstruktur bzw. Anodenstruktur) bewegende nachfolgende Reaktionsgasionen auf in der lonenwolke befindliche Reaktionsgasionen treffen können. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit von Fusionsreaktionen erheblich.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine lonenantriebsvorrichtung mit der obigen Anordnung vorgesehen, wobei die Anodenstruktur und die Kathodenstruktur torussegmentförmig ausgebildet sind, wobei die Anodenstruktur vollflächig ausgebildet ist, um das ionisierte Reaktionsgas im inneren der Anodenstruktur zu erzeugen und in gerichteter Weise über die Stirnseiten der torussegmentförmigen Anodenstruktur bzw. Kathodenstruktur auszustoßen.
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Eine torussegmentförmige Anordnung, insbesondere in Form eines halben Torus, kann auch als eine lonenantriebsvorrichtung verwendet werden. Mit dem gleichen Wirkprinzip können sich in der lonenwolke sammelnde Reaktionsgasionen durch stirnseitige Enden des torussegmentförmigen lonenkanals austreten. Durch die kontinuierlich aus radialer Richtung (bezüglich des Querschnitts der Kathodenstruktur bzw. Anodenstruktur) nachfolgenden Reaktionsgasionen bewegen sich aufgrund der Eigenladung der Reaktionsgasionen entlang des lonenkanals hin zu den stirnseitigen Auslässen. Es entsteht ein lonenstrahl von Reaktionsgasionen in tangentialer Richtung des lonenkanals an den stirnseitigen Auslässen, die eine Schubkraft bewirken können. Dies ermöglicht eine lonenantriebsvorrichtung mit hoher Effizienz, da die Anionen des austretenden Reaktionsgases nicht die Gitterstruktur der Kathodenstruktur passieren müssen und dadurch die Verringerung der Effizienz durch Rekombination an der Kathodenstruktur wird auftreten kann.
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Weiterhin kann sich an mindestens eine der Stirnseiten der torussegmentförmigen Anodenstruktur bzw. Kathodenstruktur eine zylinderförmige Erweiterung mit einer Kathodenerweiterung und einer Anodenerweiterung mit jeweils gleichen Querschnittstrukturen wie die Kathodenstruktur bzw. Anodenstruktur anschließen.
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Insbesondere kann die lonisierungseffizienz erhöht werden, wenn sich an mindestens eine der stirnseitigen Enden der torussegmentförmigen Anordnung eine zylinderförmige Erweiterung anschließt. Dadurch entsteht ein größeres Volumen, dass zur Ionisierung genutzt werden kann. Außerdem werden die Ionen entlang des Kanals auch mehr voneinander abgestoßen und beschleunigt, sodass eine höhere lonengeschwindigkeit und dadurch Treibstoffeffizienz für ein Antriebssystem gewonnen wird. Die zylinderförmigen Erweiterungen weisen dabei die gleiche Querschnittstruktur aus Kathodenstruktur und Anodenstruktur auf wie die torussegmentförmige Anordnung. Dabei muss an dem stirnseitigen Auslass der zylinderförmigen Erweiterung die Kathodenstruktur nicht bündig zu der Anodenstruktur abschließen, sondern kann nach oben oder unten versetzt sein, um eine elektrostatische Fokussierung des Strahls als eine Art von Düse zu ermöglichen.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1a bis 1c eine Querschnittsdarstellung quer zur Torusachse der torusförmigen Anordnung, eine Querschnittsdarstellung parallel zur Torusachse der torusförmigen Anordnung und einer perspektivischen Darstellung der Anordnung;
- 2a und 2b Draufsichten auf eine torusförmige Anordnung mit angeordneten Ringmagneten;
- 3a und 3b eine Querschnittsdarstellung quer zur Torusachse einer torussegmentförmigen Anordnung und eine perspektivische Darstellung einer torussegmentförmigen Anordnung für eine lonenantriebsvorrichtung; und
- 4 die Anordnung von ringförmigen Magneten mit unterschiedlichen Polaritätsrichtungen um die torussegmentförmige Anordnung der lonenantriebsvorrichtung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1a bis 1c zeigen verschiedene Ansichten einer torusförmigen Anordnung 1 zur Ausbildung eines Funktionsreaktors zur Energiegewinnung oder als Neutronenquelle für die Materialforschung.
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Die torusförmige Anordnung 1 weist eine flächige Anodenstruktur 2 auf, die torusförmig vorgesehen ist. Die Anodenstruktur 2 kann als Gitteranodenstruktur oder geschlossen vorgesehen sein. Bei einer gitterförmigen Ausbildung der Anodenstruktur 2 wird zugelassen, das Reaktionsgas von einer äußeren Umgebung der Anordnung ins Innere der torusförmigen Anordnung 1 gelangen kann. Beispielsweise kann die torusförmige Anordnung 1 im Inneren einer Kammer angeordnet sein, in der sich ein fusionsfähiges Reaktionsgas, wie z.B. Deuterium oder Tritium, befindet. Bei einer geschlossenen Anodenstruktur 2 befindet sich im Inneren der torusförmigen Anordnung 1 ein abgeschlossenes Volumen, in das ein Reaktionsgas über eine geeignete Zuleitung (nicht gezeigt) eingebracht wird.
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Die torusförmige Anordnung 1 erstreckt sich um eine Torusachse T, um die die Anodenstruktur 2 einen ringförmigen lonenkanal 3 ausbildet. Der lonenkanal bildet eine lonenkammer. Im Querschnitt parallel zur Torusachse T kann die Anodenstruktur 2 eine kreisringförmig oder polygonringförmig sein. Eine Ausbildung der Anodenstruktur 2 mit polygonförmigem Querschnitt ist mit geringerem Fertigungsaufwand verbunden und bringt so Vorteile bei der Fertigung.
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Konzentrisch zum Querschnitt des lonenkanals 3 befindet sich im Inneren der Anodenstruktur eine elektrisch von der Anodenstruktur 2 isolierte, ebenfalls torusförmige Kathodenstruktur 4, die als Gitterelektrode ausgebildet ist. Zwischen der Anodenstruktur 2 und der Kathodenstruktur 4 ist eine Betriebsspannung UB von z.B. mehreren 10kV von einer Betriebsspannungsquelle 6 angelegt, um ein elektrisches Feld zwischen der Anodenstruktur 2 und der Kathodenstruktur 4 auszubilden. Beispielsweise kann an mindestens einer Stelle die Kathodenstruktur 4 über eine isolierende Halterung 5 bezüglich der Anodenstruktur 2 ortsfest gehalten werden. Die Halterung 5 kann eine Verbindungsleitung 6 aufweisen, über die eine elektrische Kontaktierung der Kathodenstruktur 4 möglich ist.
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Durch Beaufschlagen der Anodenstruktur 2 mit einem positiven Potential und der Kathodenstruktur 4 mit einem negativen Potential wird ein elektrisches Feld aufgebaut, durch das ein im Innenraum der Anodenstruktur 2 befindliches Reaktionsgas ionisiert wird und Anionen des Reaktionsgases in Richtung des lonenkanals 3 beschleunigt werden. Der lonenkanal 3 befindet sich im Inneren des Querschnitts der Kathodenstruktur 4 und umläuft die Torusachse T ringförmig.
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Durch den ständigen Zustrom von Ionen aus allen radialen Richtungen erhöht sich im lonenkanal 3 die Reaktionsgasionendichte und ermöglicht eine Kollision mit nachfolgenden von der Kathodenstruktur beschleunigten Reaktionsgasionen, so dass bei Aufeinandertreffen von Atomkernen eine Fusionsreaktion ausgelöst werden kann. Auf diese Weise kann die Anordnung einen Fusionsreaktor darstellen, in dem Fusionsreaktionen erzeugt werden können. Diese Fusionsreaktionen können zur Energiegewinnung oder zur Erzeugung von Neutronen verwendet werden. Dadurch, dass sich die Reaktionsgasionen entlang einer ringförmigen Wolke im lonenkanal 3 sammeln, wird ein wesentlich höheres Volumen gebildet, in dem Fusionsreaktionen stattfinden können, als dies bei bisherigen Anordnungen der Fall ist.
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In weiteren Ausführungsformen, die in 2a und 2b dargestellt sind, kann die Anordnung mehrere in Umfangsrichtung mit gleichen oder variierenden Abständen gleichverteilt angeordnete, ringförmige oder umlaufende Ringmagneten 7 aufweisen, die die Anodenstruktur 2 umgeben. Die Ringmagnete 7 können als Elektromagnete oder Permanentmagnete ausgebildet sein. Die Magnetisierungsrichtung der Ringmagnete 7 verläuft in tangentialer Richtung des Torus, d. h. in Richtung des Verlaufs des lonenkanals 3. Benachbarte Ringmagnete 7 können mit ihren einander gegenüberliegenden Flächen (in radialer Richtung) gleichartig oder zueinander entgegengesetzt polarisiert sein. Die Ringmagnete 7 dienen dazu, die Elektronen einzufangen und somit die lonisierungseffizienz wesentlich zu verbessern, indem sie wesentlich länger im Reaktionsvolumen zur Verfügung stehen und auf die Anodenstruktur erst nach längerem Weg treffen und verloren gehen.
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In einer Abwandlung einer Anordnung 1', wie sie in 3a und 3b dargestellt ist, ist die Anordnung torussegmentförmig, im gezeigten Ausführungsbeispiel halbtorusförmig, ausgebildet, wobei an den stirnseitigen Enden der torussegmentförmigen Anordnung 1' optional zylindrische Erweiterungen 11 der Anodenstruktur 2 und der darin konzentrisch befindlichen Kathodenstruktur 4 vorgesehen sein können. Die Anodenstruktur 2 und die Kathodenstruktur 4 sind entsprechend wie in der Ausführungsform der 1a-1c ausgebildet, bilden jedoch keinen geschlossenen Torusring aus.
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Die Versorgung mit der Betriebsspannung und die Halterung der Kathodenstruktur kann in einer zu der Ausführungsform der 1a-1c beschriebenen Weise vorgesehen sein.
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Die zylinderförmigen Erweiterungen 11 werden durch eine zylindrische Fortsetzung der Anodenstruktur 2 in einer damit elektrisch verbundenen Anodenerweiterung 2` und der Kathodenstruktur 4 in einer damit elektrisch verbundenen Kathodenerweiterung 4' gebildet.
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Durch die Beschleunigung der Reaktionsgasionen in Richtung des lonenkanals 3 entsteht dort eine hohe Dichte an Reaktionsgasionen, die über die stirnseitigen Enden der zylinderförmigen Erweiterungen 11 ausgestoßen werden können. Dadurch kann die torussegmentförmige Anordnung 1' auch als Antriebssystem für Raumfahrtanwendungen verwendet werden. Um das ausgestoßene Reaktionsgas zu ersetzen, kann eine Gaszufuhr 12 für die Zuführung von Reaktionsgas vorgesehen sein, die sich an einem Scheitelpunkt der so gebildeten U-förmigen Anordnung 1' befinden kann.
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Um das Reaktionsgas in der lonenantriebsvorrichtung zu halten, ist die Anodenstruktur 2 und die Anodenerweiterung 2` geschlossen ausgebildet.
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Die Oberfläche der Kathodenstruktur kann mit einem Material mit niedriger Austrittsarbeit (z.B. < 2,5 eV), wie z.B. C12A7, BaO oder dergleichen, beschichtet werden, damit, wenn diese als Kathode betrieben wird, in einfacherer Weise Elektronen freigesetzt werden können und die lonisierungseffizienz des Reaktionsgases erhöht werden kann.
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Auch ist das Betreiben der Anordnungen mit umgekehrter Polarität in einer sogenannten Reverse-Field Configuration möglich, so dass sich die Reaktionsgasionen im Bereich der Anodenstruktur sammelt, während im Bereich des lonenkanals 3 eine Elektronenwolke entsteht.
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In weiteren Ausführungsformen, die in 4 dargestellt sind, kann die Anordnung 1` der 3a- 3b mehrere in Umfangsrichtung gleichverteilt mit gleichen oder variierenden Abständen angeordnete, ringförmige oder umlaufende Ringmagneten 7` aufweisen, die die Anodenstruktur 2 und die Anodenerweiterungen 2` umgeben. Die Ringmagnete 7' können als Elektromagnete oder Permanentmagnete ausgebildet sein. Die Magnetisierungsrichtung der Ringmagnete 7` in verläuft in tangentialer Richtung des Torus, d. h. in Richtung des Verlaufs des lonenkanals 3. Benachbarte Ringmagnete 7 können mit ihren einander gegenüberliegenden Flächen (in radialer Richtung) gleichartig oder zueinander entgegengesetzt polarisiert sein. Die Ringmagnete 7` dienen dazu, Elektronen einzufangen und somit die lonisierungseffizienz wesentlich zu verbessern, indem sie wesentlich länger im Reaktionsvolumen zur Verfügung stehen und nicht schnell auf die Anode treffen und verloren gehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Anordnung
- 2, 2'
- Anodenstruktur
- 3
- lonenkanal
- 4, 4'
- Kathodenstruktur
- 5
- Halterung
- 6
- Betriebsspannungsquelle
- 7
- Ringmagnete
- 11
- zylindrische Erweiterungen
- T
- Torusachse